水热法合成宝石
水热法合成宝石
折射率与双折射
折射率
折射率是光线在宝石中传播速度的量度。合成宝石的折射率通常比天然宝石 高，因此它们看起来更闪亮。
双折射
双折射是当光线通过某些晶体时，会产生两个不同折射光的现象。天然宝石 通常具有明显的双折射现象，而合成宝石的双折射较弱。
硬度与韧性
硬度
合成宝石的硬度通常比天然宝石高。硬度是评估宝石耐用性的重要因素，高硬度 的宝石可以更好地抵抗日常生活中的划痕和磨损。
研究目的和意义
1
研究水热法合成宝石的目的是为了了解宝石形 成的机理和过程。
2
通过研究，可以更好地理解自然界中宝石的形 成和变化规律。
3
同时，水热法合成宝石也是一种制备特定结构 、性能的宝石材料的有效手段，具有重要的实 际应用价值。
研究背景
01
近年来，随着材料科学和地质学的发展，水热法合成宝石成为了一个热门的研 究领域。
2023
水热法合成宝石
目 录
• 引言 • 水热法的基本原理 • 水热法合成宝石的种类 • 水热法合成宝石的质量评估 • 水热法合成宝石的应用 • 水热法合成宝石的发展趋势和挑战
01
引言
简介
水热法是一种在密封容器中高温高压条件下合成宝石的方法 。
这种方法可以模拟自然界中宝石形成的地壳下高温高压条件 。
02
红蓝宝石
水热法合成的红蓝宝石具有颜色鲜艳、纯度高、硬度高等特点，适合
制作各种首饰。
03
翡翠
水热法合成的翡翠具有与天然翡翠相似的颜色和纹理，可以制作出各
种精美的首饰。
收藏与投资
收藏价值
水热法合成的宝石具有很高的收藏价值，因为它们不仅具有 天然宝石的美丽，还有着天然宝石无法比拟的稀有性和独特 性。
蓝宝石新材料生产工艺流程
蓝宝石新材料生产工艺流程蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，具有高硬度、高抗腐蚀性、高传热性和高光学透明性等特性。
由于其独特的物理和化学特性，蓝宝石被广泛用于光电子学、光学、电子、信息、通信和航空航天等领域。
然而，传统的蓝宝石生产工艺存在成本高、废料多、生产效率低等问题。
为了解决这些问题，研究人员不断探索新的蓝宝石生产工艺。
目前，一种新的蓝宝石生产工艺已经被广泛采用并得到了应用。
以下是该工艺流程的详细介绍。
1.原材料选择蓝宝石的原材料可以是天然蓝宝石，也可以是化学合成的蓝宝石。
其中，化学合成的蓝宝石成本更低，而且可以控制其物理和化学特性，因此被广泛采用。
2.蓝宝石生长化学合成蓝宝石的生长有两种方法，一种是熔融法，另一种是水热法。
（1）熔融法熔融法是将粉状或块状的蓝宝石原料加热到高温并保持液态，然后缓慢降温，使蓝宝石晶体生长。
在生长过程中需要控制温度、压力、冷却速度等多个参数，以确保晶体的质量。
（2）水热法水热法是将蓝宝石原料放入加有溶剂的高压容器中，在高温高压的条件下进行晶体生长。
在生长过程中需要控制温度、压力、溶剂浓度和生长时间等参数。
3.晶体切割和抛光晶体生长完成后，需要将晶体切割成所需的形状和尺寸，并进行抛光处理。
切割晶体的工艺需要控制切口的质量和位置，以确保后续加工的效果。
4.蓝宝石加工蓝宝石加工包括打孔、切割、切槽、钻孔等多个工艺，以制成所需的透镜、激光波导器件、光学器件、LED芯片等产品。
加工时需要控制工艺参数，以确保产品的质量和性能。
5.检验和测试蓝宝石制品生产完成后，需要进行检验和测试，以确保产品满足规定标准和要求。
检验和测试包括组装、测试和微观结构分析等多个环节。
总之，蓝宝石新材料生产工艺流程具有高效、低成本、高质量的特点，已经被广泛采用。
随着技术的不断进步和工艺的不断改进，蓝宝石新材料的应用领域将会有更广阔的前景。
宝石合成技术
宝石合成技术人工宝石的合成方法:1、焰熔法2、水热法3、助溶剂法4、熔体法5、冷坩埚熔壳法6、高温高压法7、化学沉淀法8、区域熔炼法焰熔法一、原理将合成宝石的原料(固态的粉末组分)按一定比例均匀混合在一起，用氢氧火焰把原料熔化，然后随着温度下降在熔体中进行晶体生长的方法。
二、设备1.供料系统：为圆柱形的筛状供料容器和料斗组成，震动器有规律地振动使粉末均匀下落到氧气流中。
2.气体燃烧系统：融化粉料的设备。
氧气、氢气通过燃烧器燃烧，温度可达2500℃。
3.结晶炉：马弗炉，主要起保温作用。
炉膛呈流线型，易于气体流动和不积粉。
4.下降系统：把籽晶固定于结晶杆上，并把结晶杆安装在支架上，结晶杆可缓慢下降并不断旋转，以保证晶体的生长尺寸。
三、一般工艺流程1、原料制备：要求纯净，颗粒均匀，高分散，具适当的堆积密度和流动性。
掺杂剂要考虑到宝石的颜色，光学性能，宝石结构和物理性质，生长过程中的烧失量。
2、下料，将原料粉末与掺杂剂按比例置于筛状容器，振动过筛，落入氧气流内。
3、熔料，内管中的氧气与外管中的氢气混合燃烧。
4、晶体生长：熔体下落到种晶的生长台上，旋转并下降，晶体生长成梨形圆棒。
5、处理晶体，关闭气体，晶体冷却，由于晶体生长时内聚了大量应力，当停止加热晶体，易从纵轴裂成两半。
6、退火处理，将合成晶体装炉缓慢升温几小时，恒温保温，再慢慢降至室温以减少热应力。
四、焰熔法晶体生长工艺特点1.此方法不需坩埚，即节省坩埚材料，又避免坩埚污染。
2.氢、氧燃烧温度高达2500度，适合难熔氧化物。
3.生长速度快、有利于大规模生产，成本低。
4.生产设置简单，能长出大的晶体。
5.若生长温度梯度大，内应力大，易裂开。
6.对粉料的纯度、粒度要求严格，并在合成过程中有30%的损失量，提高了原料成本。
7.易挥发或易氧化的材料不适宜此方法。
五、合成品种及其鉴定特征（一）合成刚玉1．原始晶形：焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。
而天然宝石的晶体形态为一定的几何多面体。
水热法合成蓝绿色绿柱石的宝石学及光谱学特征
Fig. 1 Hydrothermal synthetic blue-green beryl samples
1.2测试条件与方法 宝石学常规测试在中国地质大学（武汉）珠宝学院完成"
利用宝石显微镜等常规宝石学仪器对样品的基本宝石学性质 进行观察和测试。
化学成分测试采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪 （LA-ICP-MS）进行% LA-ICP-MS测试在武汉上谱分析科技 有限责任公司完成％使用仪器为美国Agilent公司生产的 Aglent7900 电感耦合等离子体质谱仪和 Geolas HD 准分子
关键词 合成绿柱石&水热法&紫外-可见光谱&红外光谱&拉曼光谱
中图分类号：P575. 4 文献标识码：A
DOI： 10.3964力.issn.1000-0593 （2021 ）07225805
引言
绿柱石（beryl）是含铍的六方环状铝硅酸盐矿物,晶体化 学式是Be3A12（SiO3）6,是常见的一种宝石矿物％自然界蕴藏 的宝石级绿柱石矿产资源并不能满足市场逐渐扩大的需求, 因此合成绿柱石很早就出现在市场上％目前合成绿柱石的商 业化生产主要采用水热法，除祖母绿以外，红色、粉红系列、 黄色系列、蓝色系列及与Paraiba碧玺颜色相似的水热法合 成绿柱石都已经出现在市场上，掺杂不同的致色元素可以合 成颜色各异的绿柱石％前人对水热法合成的红色、Paraiba色 绿柱石的宝石学和谱学特征进行过系统研究[1-2],但尚未见 有关蓝绿色合成绿柱石的文献报道％本文对市场上新出现的
(1)400〜1 500 cm-1指纹区红外光谱(图3)主要表现为 绿柱石晶体结构中［S1OJ的振动特点％其中1 230 cm-1处较 强红外吸收谱带归属于 堆(Si—O—Si), 1 092 cm-1以及 1 022 cmt附近两个较弱吸收谱带归属于！s (O—Si—O), 972 cm-1处的强红外吸收谱带归属于！(O—Si—O# 820, 761 , 687和654 cm-1四处中等至弱红外吸收峰由！(Si— O—Si)所致。594 cm-1附近及小于594 cm-1的四个小吸收峰 归属于Q(Si—O)和！(M—O) (M为金属离子)及二者耦合振 动工%
珠宝知识290：珠宝考研考证篇(九十五)：找到“水波纹”了吗？没错,这就是水热法合成红蓝宝石的鉴定特征
珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：找到“水波纹”了吗？没错，这就是水热法合成红蓝宝石的鉴定特征展开全文珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：水热法合成红蓝宝石的发展与鉴定历史简介【国际发展】1、利用水热法合成刚玉类宝石是从研究Al2O3+H2O体系开始的；2、1943年，劳本盖耶和韦茨首次获得成功，随后欧文和奥斯本进一步完善了这一工作；3、20世纪50年代，美国、日本、前苏联、中国、法国、澳大利亚等国家先后从事过水热法合成红宝石晶体的实验研究；4、1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，生产出的红宝石与天然品极为相似，同时获得了商业性的生产；5、20世纪90年代，俄罗斯人员通过大量的实验完成了水热法合成红宝石的工艺技术；其中1991年，俄罗斯小批量商业生产水热法合成红宝石；1993年，俄罗斯西伯利亚科学院与泰国The Pinky Trading Company合资在曼谷设立了泰洛斯（TAIRAS）宝石有限公司，该公司主要进行水热法合成红宝石的生产，产品逐渐出现在国际市场上，是目前全球最重要的水热法合成红宝石的生产厂商；1995年，新西伯利亚产出了不同颜色（黄色、橘黄色、蓝绿色和蓝色）的合成蓝宝石6、1998年，澳大利亚Biron公司利用水热法成功合成红宝石及其他品类的刚玉类宝石下图为俄罗斯晶体生长实验室生产的各种颜色的水热合成红宝石和蓝宝石。
中间的蓝绿色蓝宝石(9.2×7.0 mm)重2.65 ct。
【国内发展】我们国家对水热法合成刚玉类的研究起步相对较晚，直到上世纪九十年代才开始，主要的研究单位是广西桂林的宝石研究所，大致的发展过程如下：1、1992年，我国开始研究水热法生长刚玉类宝石；2、1995年，广西宝石研究所进行了水热法合成刚玉晶体的研究和开发；3、1998年，桂林水热法合成红宝石正式生产，采用人工合成无色蓝宝石作为种晶，最终合成的尺寸为15×50×17mm，重量为克拉的的厚板状红宝石晶体；同年七月，经广西区科技厅组织的专家鉴定，认为广西宝石研究所承担的项目“工艺先进、稳定性好、填补了国内水热法合成红宝石的空白，合成出的红宝石超过了国际同类产品质量，在合成红宝石的质量上达到了国际领先水平”4、2000年，推出桃红色和浅黄色系列的蓝宝石品种【设备装置与生长过程】下图为Tairus公司用于生产合成蓝宝石的装置示意图，高60厘米、直径8厘米；该装置共包括十个部分，分别为(1)盖子；(2)推动螺母；(3)高压蒸汽的身体；(4)密封环；(5)黄金内衬；(6)合成蓝宝石种晶；(7)挡板；(8)合成无色刚玉粉料；(9) Ni/Cr 氧化物容器；(10)粉末状含氧缓冲液。
水热法合成水晶
水热法合成水晶的工艺
3）生长阶段 加热炉通电加热，将高压釜升温并进行温度调节，调节到所 需要的温度并控制温差。在生产过程中要保持温度稳定（一 般保持温度波动在5摄氏度以内）。生长完毕后停炉，打开 保湿罩，使上部热量的散失快于下部。降温后可将高压釜提 出炉膛。
4）开釜阶段 当釜体温度降至室温后，便可开釜，取出晶体。然后倒出残 余溶液和剩余的熔炼石英，对生长出的晶体和高压釜进行清 洗和检查。
水热法合成水晶晶体的工艺流程图如下
水热法合成水晶的工艺
根据工艺流程图，合成水晶的生长工艺过程可分为以下四个阶段 1）准备阶段
包括溶液的配置、籽晶的切割与清洗，培养液（熔炼石英）、 籽晶、籽晶架挡板、系籽晶金属丝和高压釜自由空间等的体积 计算，充填度计算以及密封环压圈尺寸、加温、测温系统的检 查等。 2）装釜阶段 将熔炼石英放入高压釜内，放置籽晶架，倒入碱液（矿化剂溶 液），测定液面高度，安装密封塞，密封高压釜，然后将高压 釜装入炉膛中，插上热电偶，盖上保湿罩等
水热法合成水晶的工作条件
高压釜
水热法合成水晶的工作条件
矿化剂 我国多用NaOH做矿化剂，所得晶体透明度好，自发晶芽少，过饱和温度 允许50--60℃，但生长速度相对较慢。通常矿化剂浓度在1.0— 1.5mol/L之间。通常还要加入0.1mol/L的li2CO3做添加剂，起定作用
籽晶 常规的籽晶有两种取向：Z切和Y棒。 籽晶的切割方法分为手工和机械两种。手工切割使用与切割大面积的水 晶片，而对于小面积的Z切和Y棒籽晶应采用机械切割。切割好的水晶片 要经过研磨修正外形，去掉生长丘、破边、刀痕和小破口，要求籽晶表 面具有一定的平整度，否则会造成晶体出现串珠状生长丘等。 为了得到纯净的石英块作为籽晶，可对其进行预先除杂，将石英快加热 到350--370℃，同时沿籽晶的Z轴方向加电场，持续加压，可使杂质汇 集到籽晶的阴极面上，去除杂质后，将籽晶浸入氟化物腐蚀液中进行清 洗，使籽晶表面光滑平整。经过上述处理的石英快既可作为籽晶。
02 水热法 宝石改善与人工合成 讲座
水热法
水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质， 控制高压釜内溶液的温差产生对流和形成过 饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶 上析出，生长成较大的晶体。 自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下， 成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。 水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过 程中晶体的生长。
③ 生长阶段 ④ 开釜阶段
升温调节、控温和温差， 停炉、打开保险、冷却降温、高压釜出膛
降至室温、开釜、取晶体、 倒余渣、清洗晶体和高压釜、检查
合成彩色水晶添加的致色元素及随后的处理
颜色
蓝色 褐色 深褐色 绿色 紫色 黄色 黄-绿色
添加剂及随后的处理
加Co，然后在还原环境加热 加Fe 加Al，然后辐照 加Fe，然后在还原环境中加热 加Fe，然后辐照 加Fe g射线辐照，然后加热
水热法生长宝石晶体与鉴别
本章要点
理解水热法生长宝石晶体的有关概念和原理 了解影响水热法宝石晶体生长的因素及其
合成各种宝石晶体的工艺过程和生长条件 掌握水热法生长各种宝石的鉴定特征
思考题
1. 水热法生长宝石晶体的方法有几类？ 2. 水热法生长的宝石晶体有几种？ 3. 水热法生长的各洁干净、一定的表面积比
§3 水热法生长水晶晶体与鉴别
水热法合成水晶的历史 始于19世纪初 1928年德国科学家理查德.纳肯首次使用高压釜 1950年美国、英国进行商业性生产 我国50年代开始研究，1998年产量可达1400吨
已投放市场的合成水晶品种 无色、紫色、黄色、绿色、蓝色、玫瑰粉红色、
等温法高压釜
溶液 培养体 高压釜 籽晶
温差法高压釜
水热合法合成宝石
水热法
• 水热结晶主要是溶解———再结晶机理。首先营养料在水热介质里溶 解,以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流(釜内上下部分的 温度差而在釜内溶液产生) 将这些离子、分子或离子团被输运到放有 籽晶的的生长区(即低温区) 形成过饱和溶液,继而结晶。
• 二十世纪上叶，战争导致水热法合成水晶大批量的生产。 • 1943年，Laubengayer和Weitz首先水热法成功合成红宝石。 • 1960年，澳大利亚的Lechleitner用水热法成功合成祖母绿。 • 上世纪九十年代，原苏联新西伯利亚合成海蓝宝石。随后，红色绿柱 石等其它颜色绿柱石及合成刚玉也纷纷面市。 • 目前水热法合成的宝石有：水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石、蓝宝 石
生长的关键
• 水热法生长的温度500～600℃，温度梯度10～130℃ • 压力70～600MPa,新工艺570℃左右，压力为170MPa左右。 • 籽晶片取向：最理想的取向是与结晶轴C轴的夹角为20°～25°产品 外观为短柱状；俄罗斯的Tairaus采用籽晶片与C轴夹角为43°～47° 是切角最大的，产品为长板状。大多国家采用20°～40°桂林早期采 用35°左右，新工艺则为23°左右。 • 着色剂方面，我国与大多数国家一样采用含铬试剂，少数国家采用(铬 +钒)试剂，或者(铬+钒+铁)。 • 我国与大多国家一样采用黄金管密封悬浮法(澳大利亚Biron和Pool无资 料可查)。俄罗斯Tairus公司不用黄金管，产品中含较高铁以及少量铜 和镍。
谢谢！
设备
高压釜 自动控温电阻炉 测温设备 热电偶 黄金管
高压釜
一般用耐高温高压的钢材制成。关 键结构是可开启的密封系统，内含贵金 属衬里，防止钢质容器被高温高压矿化 剂腐蚀。 我国的桂林水热法合成祖母绿，高 压釜内部多用黄金、铂做内衬。防止矿 化剂腐蚀装置。
水热法合成宝石
原料选择
根据所需合成的宝石种类，选择合适 的矿物原料，如氧化物、硅酸盐、硫 化物等。
原料处理
将选定的原料进行破碎、研磨、筛分 等预处理，以便更好地进行后续合成 操作。
设备准备与安装
设备选择
根据合成工艺要求，选择适合的水热合成设备，如高压釜、 反应器等。
设备安装
按照合成工艺流程，将设备组装在一起，确保设备连接紧密 、安全可靠。
随着人们对珠宝和宝石的需求不断增加，水热法 合成宝石市场呈现出持续增长的趋势。
消费者对品质和独特性的追求
消费者对宝石的品质和独特性要求越来越高，水 热法合成宝石因其独特性和高品质而受到青睐。
3
市场需求多样化
不同国家和地区对水热法合成宝石的需求存在差 异，多样化的市场需求为行业发展提供了广阔的 空间。
04
水热法合成宝石的质量控制
颜色与透明度
总结词
颜色鲜艳、透明度高
详细描述
水热法合成的宝石颜色鲜艳，透明度高，能够达到与天然宝石相似的光学效果。 在质量控制过程中，需要对合成宝石的颜色和透明度进行严格检测，确保其符合 市场需求。
纯净度与杂质
总结词
高纯净度、微量杂质可控
详细描述
水热法合成宝石的纯净度较高，但也可能含有微量的杂质或包裹体。质量控制过程中需要检测杂质的种类、数量 和分布情况，并尽量减少杂质对宝石质量的影响。
水热法合成宝石
汇报人： 2023-12-30
目录
• 水热法合成宝石简介 • 水热法合成宝石的原理 • 水热法合成宝石的工艺流程 • 水热法合成宝石的质量控制 • 水热法合成宝石的市场前景
01
水热法合成宝石简介
定义与特点
定义
水热法合成宝石是指通过模拟自然界 成矿过程，在高温高压条件下利用水 溶液作为介质，使宝石晶体在其中生 长的一种合成方法。
合成宝石特征
合成宝石特征当代由于合成技术的发展，几乎所有天然宝石都可在实验室里合成，而且彼此的特征愈来愈接近，甚至达到难以分辨的程度。
一、合成金刚石（钻石）宝石级合成金刚石主要采用高温高压法（HTHP）的BARS压力机生产，目前首饰用合成钻石的主要生产国有俄罗斯、乌克兰、美国等。
HTHP合成钻石其主要物理、化学性质与天然钻石类似。
（一）晶种触媒法合成金刚石特征1．晶形一般为立方体{100}与八面体{111}的聚形。
“BARS”法合成的钻石晶形上可有轻微的歪曲树枝状花纹，波状附生像及残晶薄片，温度过低时晶面的边缘常有突出而中心凹陷，温度过高时，整个晶体变圆。
显微镜下可见生长纹理及不同生长区的颜色差异。
2．合成钻石晶体一般呈浅黄色、橘黄色、褐色。
低温生长者色较浅，高温生长者色较深。
颜色明显依赖于所采用的触媒合金。
若触媒为Fe－Al合金时，所生晶体为无色，含B（硼）元素其色为蓝，含Ni（镍）元素其色褐黄。
颜色分布不均匀，可见沿八面体晶棱平行排列的色带。
3．内含物主要是触媒金属，孤立或成群的出现于晶体表面或沿内部生长区间边界定向分布，呈浑圆状、拉长状、点状或似针状。
净度以P、SI为主。
HTHP 合成钻石生长纹发育，其特征因生长区而异。
八面体生长区的生长纹平直，并可有褐红色针状包体（仅在阴极发光下可见）；立方体生长区无生长纹，但可有黑十字包体；四角三八面生长区边缘发育有平直生长纹。
4．光性特征：常有很弱的异常双折射。
干涉色颜色变化不明显，不如天然钻石明显。
5．发光性：在紫外灯下、X射线和阴极射线下均呈规则的分区分带发光，不同生长区发出不同颜色的光，且具有规则的几何图形。
6．吸收光谱：Ⅰb型者一般明显吸收，有时因生长过程中的冷却作用会造成658nm处的吸收；Ⅰb＋Ⅰa型者在600－700nm处可见数条清晰的吸收线，而无天然钻石的415nm吸收线。
（见表2-5）（二）化学气相法合成金刚石薄膜（CVD合成钻石）1．物理性质：硬度、导热性、密度、弹性、透光性等物理性质接近或达到天然金刚石。
水热法合成宝石
水热法合成宝石模拟自然界热液成矿作用过程，水热法生长晶体宝石是在含水体系中由液相（溶液）转变为晶相的方式进行的。
自然界热液成矿是在一定的温度和压力下进行的，而且成矿溶液具有一定的浓度和PH值（矿化剂溶液的性质因生长宝石晶体的不同而不同）。
实验证明，只有在高压釜中才能满足宝石晶体模拟自然界生长的条件。
所以，水热法有别于其它宝石晶体生长的体系。
该法适用于常温常压下溶解度低而在高温高压下溶解度高的材料。
1．生产工艺根据晶体生长的运输方式，可分为三种生产工艺：（1）等温法等温法主要是利用溶解度差异来生长晶体，所用原料为亚稳相的物质，籽晶为稳定相的物质。
在高压釜内上下无温差，是该法特色。
该法的缺点是，无法生长出晶形完整的大晶体。
（2）摆动法摆动法的装置由两个不同温度的圆筒组成。
一筒盛培养液，另一筒放置籽晶。
定时摆动两个圆筒，以加速二筒之间的对流。
利用两筒间的温度差在高压环境下生长出晶体。
（3）温差法温差法是在立式高压釜内生长晶体的一种方法，多用于生长合成水晶、合成红宝石、合成祖母绿、合成海蓝宝石等。
晶体生长条件如下：a．矿质在矿化剂溶液中应具有一定的溶解度，并能形成所需的单一稳定晶相；b．矿质在适当的温差下能形成过饱和度而又不自发成核；c．晶体生长需要一定切型和规格的籽晶，并使原料的总表面积与籽晶总表面积之比值达到足够大；d．溶液密度的温度系数要足够大，以利晶体生长的溶液对流和溶质传输；e．高压釜容器要有抗高温腐蚀性能。
2．基本装置水热法的基本装置主要有高压釜、加热器、温度控制器和温度记录器等（图2-2）。
3．具体实例：水热法合成水晶（1）水热法合成水晶的原理一般情况下石英是不溶于水的化合物，但由于水在过热状态下所具有的特性，使得石英在一些特殊条件下可以被溶解。
在合成水晶时，必须加入一定量的的溶解度。
矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能增加SiO2（2）水热法合成水晶的工艺水热法合成水晶的工艺流程可以分为以下四个阶段。
水热法合成刚玉技术历史与发展
水热法合成刚玉技术历史与发展摘要：水热法合成刚玉宝石技术历史悠久、商业化程度高，其原理是将原料在溶液中溶解，通过迁移或反应达到过饱和从而析出结晶。
本文在讨论水热法合成刚玉宝石的原理与方法的基础上，结合市场现状与学术界研究现状，对水热法合成刚玉宝石的发展提出一些猜想及建议。
关键词：水热法；发展历程；方法；鉴别长期以来，天然刚玉宝石受到了广大消费者的追求与喜爱，近年来，消费者对合成刚玉宝石的接受度与认可度也有所提高。
水热法合成刚玉宝石是在模拟天然刚玉宝石的水热成矿环境下进行的，由于其生长工艺较为复杂，成本相对较高，该技术也经过了较为漫长的发展期，到目前为止，水热法合成刚玉技术已经成为一种较为先进的刚玉宝石合成方法。
1 发展历程刚玉的合成历史相对其他宝石较为悠久，商业化程度也较高，刚玉宝石合成技术的发展也促进了其他宝石合成技术的发展。
1943年，劳本盖耶、韦茨首次通过水热法合成刚玉获得成功。
1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，使合成红宝石进入了商业化阶段。
1993年，泰罗斯宝石有限公司成立，主要进行水热法合成红宝石的生产。
20世纪90年代，俄罗斯的研究人员经过大量的实验，研究成功了水热法合成蓝宝石的工艺技术。
20世纪90年代，我国桂林矿产地质研究院开始展开了水热法合成刚玉晶体的研究，并于1999年成功生长红宝石晶体，之后又成功研究出了黄色蓝宝石、蓝色蓝宝石、无色蓝宝石等彩色蓝宝石的合成方法，产品质量处于国际先进水平。
20世纪末，我国合成红宝石的年产规模已达到了一百吨左右，主要用于钟表和珠宝行业。
进入21世纪后，合成刚玉宝石的发展达到了一个新的飞跃，对合成宝石技术的投入也逐年增长，促进了水热法合成刚玉宝石技术的发展。
2 原理水热法是将原本在大气条件下不溶或难溶的物质溶解于高温高压的水溶液中，通过控制温差产生对流以形成过饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶上析出，生长成较大的晶体。
通过加入不同的致色离子，得到不同颜色的刚玉晶体。
温差水热法合成水晶的原理
温差水热法合成水晶的原理温差水热法（Hydrothermal synthesis）是制备单晶体材料的一种常见方法之一，该方法通过在高温高压的水热条件下使化学反应发生，从而合成出高质量、大尺寸的晶体。
其原理主要包括溶质溶解、核形成、生长、洗涤和干燥等过程。
温差水热法的原理如下：1. 溶质溶解：将原料溶解在水溶液中。
通常情况下，水溶液中的温度较高，使得晶体原料能够充分溶解。
2. 核形成：将溶液加热至较高温度，使得溶液中的溶质浓度超过饱和度。
过饱和度是指溶液中溶质的浓度超过溶解度，此时溶液呈现出不稳定的状态，会产生一个极小的晶核。
3. 生长：晶格能量较低的溶质会在晶核上发生吸附和附着，使得晶体逐渐生长。
晶体的生长速率取决于溶液中溶质的浓度和晶体生长界面的能量差异。
4. 洗涤：晶体在生长过程中会吸附一些溶液中的杂质，为了获得纯净的晶体，需要将晶体从溶液中取出并用纯净溶剂反复洗涤。
5. 干燥：洗涤后的晶体需要经过干燥过程，去除残余的溶剂，使得晶体完全干燥。
温差水热法的成功合成单晶体的关键在于控制好反应条件和晶体生长过程中的各个环节。
以下是一些影响温差水热法合成水晶的重要因素：温度：温差水热法通常在高温高压条件下进行，温度对晶体生长速率和生长方向有重要影响。
较高的温度有利于使晶体原料充分溶解以及快速生长晶体，但过高的温度会导致晶体溶解度过大，影响晶体纯度。
压力：压力是维持水在高温高压条件下保持液态的重要因素，也会影响晶体的生长速率。
高压条件下能够增加水的溶解度，有利于晶体的生长，但过高的压力可能会导致晶体的完整性受损。
溶液浓度和配比：溶液中晶体原料的浓度和配比对晶体生长速率和晶体质量有重要影响。
溶液中溶质浓度过低会导致晶体生长速率过慢或无法生长，而浓度过高则可能会导致过饱和度过高，使得晶体过多缺陷。
晶体生长环境：晶体生长过程中的平衡环境也会对晶体的生长速率和质量产生影响。
例如，搅拌晶体生长过程中的溶液有助于减小晶体尺寸分布和增加晶体的生长速率。
人工合成红宝石的配方
人工合成红宝石的配方一、原料选择。
1. 主要原料：氧化铝（Al₂O₃）- 氧化铝是红宝石的主要成分。
在自然界中，红宝石就是刚玉（主要为氧化铝）晶体中含有少量铬（Cr）元素而呈现红色。
对于人工合成，需要高纯度的氧化铝粉末。
一般纯度要求达到99.99%以上。
这是因为杂质过多会影响晶体的生长和颜色的纯正性。
2. 致色剂：铬（Cr）化合物。
- 通常选用铬酸铅（PbCrO₄）或氧化铬（Cr₂O₃）作为致色剂。
添加量一般在0.5% - 2%左右。
铬离子（Cr³⁺）取代晶体结构中的铝离子（Al³⁺），从而使合成的晶体呈现红色。
致色剂的用量需要精确控制，如果添加量过少，颜色会太淡，达不到红宝石应有的颜色深度；如果添加量过多，可能会导致晶体内部结构缺陷或颜色过深而不自然。
二、助熔剂法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 助熔剂通常采用氧化铅（PbO） - 硼砂（Na₂B₄O₇）体系。
一般比例为PbO:Na₂B₄O₇ = 1:1到3:1之间。
再加入氧化铝和致色剂铬化合物。
例如，以100克原料总量计算，氧化铝粉末约80 - 90克，致色剂（如氧化铬）0.5 - 2克，助熔剂（氧化铅 - 硼砂混合）10 - 20克。
2. 原理。
- 助熔剂的作用是降低氧化铝的熔点。
氧化铝的熔点非常高（约2050°C），在加入助熔剂后，体系的熔点可以降低到1200 - 1300°C左右，这样就可以在相对较低的温度下进行晶体生长。
在这个过程中，原料在助熔剂的熔体中溶解，然后通过缓慢降温或其他方式，使溶质（氧化铝和铬离子等）以红宝石晶体的形式结晶出来。
三、焰熔法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 原料主要是高纯度的氧化铝粉末和少量的铬酸铅（PbCrO₄）作为致色剂。
氧化铝粉末的纯度要求在99.9%以上。
致色剂的添加量约为1% - 1.5%。
2. 原理。
- 焰熔法是通过氢氧火焰来熔化原料。
氢氧火焰的温度可以达到2500 - 3000°C。
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矿化剂指的是水热法生长晶体时采用的溶剂， 通常可分为以下五类：
光谱及紫外荧光特征
c、紫外荧光特征
在LW和SW下，合成红宝石显示比天然红 宝石更强、更亮的红色荧光。
合成黄色蓝宝石在LW下呈惰性，多数晶体 在SW下具有分带性，籽晶片为中～弱的蓝白色 荧光，少数晶体在SW下也呈惰性。
6.3 水热法合成祖母绿晶体
原理
祖母绿化学式：Be3Al2Si6O18 致色剂：Cr3+ 合成方法：营养料反应法 营养料：SiO2、Al(OH)3、Be(OH)2、CrCl3.6H2O 反应式: SiO2+Al(OH)3+Be(OH)2+H+→Be3Al2Si6O18+H2O
完善了这一技
术。
水热法合成的红宝石的晶体
➢ 祖母绿的水热法合成 是由澳大利亚的 Johann Lechleitner在 1960年研究成功的。
➢ 到九十年代 原苏联新西伯 利亚合成出了 海蓝宝石。随 后红色绿柱石 等其它颜色绿 柱石及合成刚 玉也纷纷面市。
1. 基本原理
水热法是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件 下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的 溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对 流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。
紫色
加铁，然后辐照
黄-绿色 g射线辐照，然后加热
黄色
加铁
褐色
加铁
主要晶体缺陷
（1）双晶 根据外观特征分为凹陷型双晶、多面体双晶、鼓
包双晶和花 絮状双晶四种。 （2）包裹体
主要有固体包裹体和气－液两相包裹体。
主要晶体缺陷
（3）位错和腐蚀隧道 位错多位刃为错和混合位错。除了这些线位错
外，还有层位错。腐蚀隧道是作为籽晶的石英晶片经 过腐蚀形成的，一般成管状。
右，压力约为 8.3X107Pa。 （3）培养料：碎水晶SiO2、Al(OH)3、Be(OH)2等。
工艺参数
（4）种晶：海蓝宝石或无色绿柱石，平行柱面 （1010）和 （0001）切取或者沿与柱面斜交 角度35o。
（5）着色剂：CrCl3.6H2O，晶体呈鲜艳绿色 （含铬约0.9％）。
（6）矿化剂及充填度：最早使用中性到 碱性矿化剂，目前最多的是12 mol/L盐酸， pH<0.1，酸性环境可以防止铬沉淀，有利 于铬进入生长晶体中，使晶体致色。
（5）特殊光学效应 在黑色底衬条件下，用强光源照射，某些角度
会出现红色。合成的颜色浓艳，有较强的红色荧光， 在滤色镜下呈鲜亮红色。
6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
原理：
致色原因：Fe2+取代 了BeO4四面体中的 Be2+或AlO6八面体中 的Al3+，位于隧道结 构中而呈现美丽的天 蓝色或浅天蓝色。 生长方法：分离营养 料法。
自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿 热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成 宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。
2.合成装置
主要装置：
高压釜 加热器 控温设备 原料、溶剂、 籽晶等
高压釜为可承高温高压的钢制釜体。 水热法采用的高压釜一般可承受1100℃的温度和
b、晶面条纹: 六方双锥晶面上普遍发育有各种生长花 纹，常见的有舌状或乳滴生长丘、阶状生长台阶、格状 生长纹理和不规则生长斜纹，偶见放射纤维状条纹。
c、开裂现象: 沿籽晶面裂开或者在（22-43）晶面上呈 规则的网状开裂。
晶体内部特征
a、气液包裹体：生长过程中水的参与而形成，与天 然的极为相似，主要区别在于二者包裹体形态 略有不同，合成的边缘圆滑且较规则。
祖母绿结构中的水分子示意图 各种类型祖母绿的红外光谱
晶体结构特征和红外光谱特征
（2）籽晶片 籽晶片残留的微小不透明籽晶片。
（3）包裹体 钉状包裹体平行排列在一个平面上，此外还有
双折射晶体、多相填充的腔体和晶种形状的平面及 扭曲的白羽痕状、纱状和棉絮状包裹体。
晶体结构特征和红外光谱特征
（4）生长纹 特征的锯齿状水波纹生长纹。
6.1 水热法合成水晶晶体
原理
溶解过程： SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2O SiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O
结晶过程： Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6 Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4
工作条件和工艺参数
(1) 温度和压力（Tg=330-3500C，Td=360-3800C， Δ≤500C ，P=1.1-1.6*108Pa,）
水热法合成的祖母绿
水热法合成祖母绿晶体装置图：
将培养料分放在顶、底 部，两处的物质被溶解、 扩散，在中部相遇并发 生反应，生成祖母绿的 溶液，当祖母绿溶液达 到过饱和时便会析出， 在中部的种晶上生长。
水热法合成祖母绿装置图
工艺参数
（1）悬浮管：均为贵金属，熔点高，密封性要好。 （2）温度和压力： Td：600～620oC，△：50oC左
光谱及紫外荧光特征
a、紫外－可见光吸收光谱特征
水热法合成红宝石晶体显示典型的贫铁含铬 吸收光谱，紫外区域内241 nm谱带是区别于天然 红宝石的重要特征。
光谱及紫外荧光特征
b、红外光谱特征
水热法合成红宝石普遍存在3307、3231、 3184、3013 cm-1的Al－OH伸缩振动和2364、 2348 cm-1 的 KHCO3中O－H伸缩振动，黄色合成 蓝宝石在3600～3000 cm-1范围内有一系列的OH 或结晶水振动。
109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。 高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为 100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16 为宜。 高度太小或太大都不便控制温度的分布。
由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和 压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内 衬，如铂金或黄金铵的卤化物 2) 碱金属的氢氧化物 3) 弱酸与碱金属形成的盐类 4) 强酸 5) 酸类（一般为无机酸）
3.水热法宝石晶体生长的分类
3.1 等温法
等温法主要利用物质的溶解度差异来生产晶 体。所用原料为亚稳定相物质，籽晶为稳定相物 质。高压釜内上、下无温差，是这一方法的特色。 此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶液为矿化 剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽晶。当溶 液温度接近水的临界温度时，处于不稳定状态的 无定形硅发生溶解，进而当高压釜内SiO2浓度达 到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上生长。此法 的缺点是无法生长出晶形完整的大晶体。
（7） 充填度：高压釜内加入溶液的量要 用高压釜反应腔体积减去悬浮管体积。
（8）生长速率： 0.1～0.8 mm/d。
晶体结构特征和红外光谱特征
（1）结构水：天然祖母绿的结构中不仅含有 Ⅰ型水（不含碱或含碱少的条件下生长），而 且存在Ⅱ型水（含碱高的条件下生长）。而水 热法合成祖母绿只有Ⅰ型水。结构上的差异使 得二者在红外光谱下的特征吸收峰不同。
第六章 水热法合成晶体
➢ 早在1882年人们就开始了水热法合成 晶体的研究。最早获得成功的是合成 水晶。
➢ 二十世纪上叶由于军工产品的需要水 热法合成水晶投入了大批量的生产。
➢ 随后水热法合
成红宝石于
1943 年 由
Laubengayer
和 Weitz 首 先
获得成功；
➢ Ervin
和
Osborn进一步
种晶刚玉晶面上是吸附了OH-离子的原子团， AlO2-取代OH-就位在种晶上，不平衡的O2-又被 OH-取代，重新恢复到活化状态，使晶体不断生 长。
Al-OH- + AlO2- → Al-O-Al-O + OH-
工作条件和工艺参数
（1）温度、压力 T>470oC，P：7.5x107Pa （2）高压釜 GH33高温合金钢来制造，用银或箔 金作内衬。 （3）矿化剂 NaHCO3＋KHCO3 混合液效果较好， 或者选用Na2CO3 + KHCO3. 适当提高矿化剂浓度可 以提高生长率。充填度（80%）。
釜容 器大小的 限制。
5. 影响宝石晶体生长的因素
溶液的过饱和度 矿化剂的性质与浓度 对流 挡板 生长区温度与温差 压力和充填度 杂质 种晶的取向 营养料
6. 水热法合成宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体 6.2 水热法合成刚玉类晶体 6.3 水热法合成祖母绿晶体 6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
等温法高压釜
3.2 摆动法
摆动法的装置由A、B两个圆筒组成，其中A筒 放置培养液，B筒放置籽晶，两筒间保持一定的温 度差。定时地摆动A、B两个圆筒以加速它们之间的 对流，利用两筒之间的温差在高压环境下生长出晶 体，此法也曾用于水晶的生长。
3.3 温差法
温差法是在立式高压釜内生产晶体，高压釜内部的 对流挡板将釜腔分成上、下两部分，籽晶挂在生长 区的培育架上，晶体在籽晶上逐步生长；对流挡板 的下部为培养料区(也称溶解区)，溶解区内放人适 量的高纯度原料和矿化剂。加热，使高压釜的上、 下部分形成一定的温差。当高压釜温度超过100℃后， 由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形成气压。
3.3 温差法
随着温度不断上升，气压急骤增大，溶解区的 溶质不断溶解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶液。 由于温差，就形成了釜内溶液的对流，溶解区中的 高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的温度 低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和状态， 溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。